宽带高效石墨烯波导相位调制器

图1 石墨烯波导相位调制器示意图。(a)三维结构；(b)横截面结构。

**1. **导读

光波导相位调制器是集成光通信系统的核心器件，在高速光通信、光互连及集成光子系统等领域中有着广泛的应用。然而，受制于传统电光材料的能带间隙、电子迁移率等固有极限，传统铌酸锂、硅等调制器在调制效率、调制带宽(速率)等方面性能仍较低，难以满足高速光通信技术快速发展的需求。石墨烯因具有独特的二维结构、零带隙电子能带和优异的力学、热学、电学和光学性能，被认为是最有潜力的电光材料之一，为宽带高效电光调制器的研发带来了新的机遇。

近日，厦门大学电子科学与技术学院叶龙芳副教授研究团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种宽带高效的近红外石墨烯波导相位调制器的设计方案。如图1所示，通过引入双半圆形金属纳米条带混合等离激元波导结构，可大幅提升光与石墨烯之间的相互作用并能实现良好的极化匹配，从而极大提升了该器件的相位调制性能。理论与模拟研究结果表明，所提出的石墨烯相位调制器具有调制效率高、插入损耗低、调制带宽大、能耗低等优点。该研究成果为新一代宽带高效石墨烯波导相位调制器的开发提供一条新思路，在未来高速光通信、光互连及集成光子系统的应用中具有重要价值。

**2. **研究背景

石墨烯具有独特的二维结构、优异的电光特性与易于调节的电磁参数，并可与CMOS工艺技术兼容等优点，研究基于石墨烯的电光调制器已成为当前电光调制技术领域的前沿热点之一。然而，目前石墨烯调制器的研究尚处于起步阶段，多数现有的石墨烯波导调制器存在着光与石墨烯互作用弱、调制效率低、带宽窄、能耗高、指纹面积大等问题，亟待解决。表面等离激元能够突破衍射极限，实现深亚波长局域电磁增强效应，可用于提升光与石墨烯之间的相互作用。基于此，若能够通过探索石墨烯-介质/金属复合波导调制器新结构，融合石墨烯材料优势与表面等离激元效应机制，则有望突破现有器件中光与石墨烯相互作用弱这一技术瓶颈，解决调制效率与插入损耗相互制约的设计难题，设计出兼具宽带、高效、低功耗等优点的新型石墨烯波导调制器，对推动电光调制技术的发展及应用具有重要的科学意义。

**3. **创新研究

为了克服石墨烯波导相位调制器中光与石墨烯之间存在的极化失配、相位调制与插入损耗相互制约的问题，厦门大学叶龙芳团队提出了一种基于双半圆形金属纳米条带混合等离激元石墨烯波导相位调制器。通过模拟仿真研究表明，如图2所示，所设计的石墨烯相位调制器具有极强的亚波长电场局域增强效应，并且其导波模式电场的主要分量为与石墨烯平面平行的Ex和Ez，实现了良好极化匹配，显著增强了光与石墨烯之间的相互作用，极大提升了调制器的调制效率。不仅如此，如图3(a)所示，随着石墨烯化学势从0.55 eV变化到0.75 eV，该长度为20 μm的石墨烯波导相位调制器的相位从0大范围线性变化至1.86π，而其衰减常数维持在0.31 dB/μm几乎不变，解决相位调制与插入损耗相互制约的问题。特别地，这些石墨烯波导相位调制器的优异特性与双半圆形金属纳米条带引入的表面等离激元增强效应密切相关，与没有金属纳米条带的调制器结构相比(见图3(b))，无论是在相位调制效率还是在插入损耗方面都有明显的优势。

图2 石墨烯波导相位调制器的电场分布图

图3 石墨烯波导相位调制器的相位变化和衰减常数。(a)有金属纳米条器件的相位变化和衰减常数曲线；(b)无金属纳米条器件的相位变化和衰减常数曲线。

随后，研究人员将该石墨烯波导相位调制应用于马赫-曾德尔干涉仪结构中，如图4所示，通过对两臂施加不同偏置电压的方式，实现将相位调制转化为精准的幅度调制。当设置一臂的电压为4.52 V (对应石墨烯化学势为0.55 eV)而另一臂电压为5.93 V (对应石墨烯化学势为0.65 eV)时，马赫-曾德尔干涉仪可实现VπLπ低至118.67 V μm、消光比可达80 dB以上，显示了极高的相位调制效率。

图4 基于石墨烯波导相位调制器的马赫-曾德尔干涉仪。(a)结构示意图；(b)器件传输率与石墨烯化学势之间关系曲线。

此外，该团队还研究了石墨烯波导相位调制器的3 dB调制带宽特性，通过采用等效电路方法研究表明，调制器的调制带宽主要取决于等效的石墨烯电阻、电极接触电阻和石墨烯平行板电容。由于导波模式电场主要束缚于双半圆形金属纳米条带狭缝亚波长区域中，通过减少石墨烯平行板电容中的石墨烯重叠部分宽度，可以减小调制器的电容，进一步增大调制带宽。如图5所示，当石墨烯重叠部分宽度由600 nm 减小至110 nm，器件调制带宽将从67 GHz提升到370 GHz，而几乎不影响其调制效率和插入损耗。

图5 减小石墨烯重叠面积的石墨烯波导相位调制器。(a)横截面结构与等效电路图；(b)相位变化和衰减常数曲线。

**4. **应用与展望

研究团队提出的基于双半圆形金属纳米条带混合等离激元石墨烯波导相位调制器，得益于良好的极化匹配与极强的光与石墨烯相互作用，能够实现兼具大宽带、高效率、低插损、低能耗等优越的相位调制特性，在未来高速光通信、光互连以及集成光子系统等领域有广阔的应用前景。

该研究成果以“ Broadband high-efficiency near-infrared graphene phase modulators enabled by metal-nanoribbon integrated hybrid plasmonic waveguide ”为题在线发表在Nanophotonics。